Снижение тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей за счет применения современных изолирующих материалов

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова

РЕФЕРАТ

Снижение тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей за счет применения современных изолирующих материалов

Магистерский проект на соискание степени магистра техники и технологиипо специальности 6М071700 - Теплоэнергетика образовательной программы «Промышленная теплоэнергетика»

Павлодар

2019

Реферат

Услугами систем централизованного теплоснабжения в городах Казахстана пользуются более 70 % жителей. Такой способ теплоснабжения, не требующий вмешательства со стороны потребителя, достаточно комфортен и удобен для большинства жителей.

Суммарная протяженность тепловых сетей системы централизованного теплоснабжения (в двухтрубном исчислении) составляет более 12 тысяч км, в том числе, больших диаметров (от 400 мм до 1000 мм) - около 2 500 км. Около 70 % от общей протяженности теплотрасс имеют возраст более 20 лет при нормативном сроке службы 25 лет. В некоторых регионах доля изношенных теплотрасс составляет более 50 %. Удельная повреждаемость тепловых сетей по отдельным регионам колеблется от одного до десяти повреждений на 1 км трубопровода ежегодно.

В настоящее время преобладающая часть тепловых сетей имеет неудовлетворительное состояние изоляции и значительные утечки через изношенную арматуру и сальниковые уплотнения, что является основной причиной сверхнормативных потерь тепла и теплоносителя.

Исследование посвящено проблеме тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей. Нерациональное использование тепловой энергии - это уменьшение полезных ископаемых, впустую затраченные материальные средства и трудовые ресурсы, увеличение загрязнения окружающей среды. Тепловые сети являются важнейшей частью системы центрального теплоснабжения, потенциал которой слабо развит, главным образом в связи с крайней степенью изношенности и преждевременного выхода из строя труб в результате воздействия различных факторов, среди которых климатические, механические, гидравлические, а так же несоблюдение правил монтажа в ходе производства работ по устройству и прокладке трубопроводов, которые могут влекут за собой повреждения, царапины, сколы теплоизоляционных конструкций.

Актуальность. Одной из основных причин низкой надежности систем теплоснабжения, а так же ее низкой энергоэффективности является ветхость теплопроводов, в результате крайней изношенности теплоизоляционной конструкции, влияющей на поверхность стального теплопровода, создающей парниковый эффект для дальнейшего развития коррозийных процессов, влияющая на огромные потери теплоты из-за низких теплоизоляционных свойств. Данное направление исследования является актуальным в связи с вышеперечисленными обстоятельствами.

Объектом исследования является работа тепловых сетей г.Павлодара

Цель проекта: снижение тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей за счет применения современных видов теплоизоляционных материалов.

Задачи исследования. В ходе работы были поставлены следующие задачи:

а) изучить литературу по выбранной теме.

б) собрать информацию о свойствах различных теплоизоляционных материалов.

в) провести сравнительный анализ зависимости величины тепловых потерь в тепловых сетях от свойств применяемых теплоизоляционных материалов.

г) предложить энергоэффективный теплоизоляционный материал для трубопроводов тепловых сетей.

Методы исследования. В проведенных исследованиях были использованы:

- методы теоретического исследования (анализ);

- расчетные методы исследования.

Практическая значимость исследования. Результаты исследования могут быть использованы для выбора наиболее оптимальной тепловой изоляции трубопроводов в зависимости от типа прокладки и учета региона строительства. Так же существует возможность пересмотра подхода к проектированию тепловой сети, так как на данный момент происходит идеализация модели строительства теплотрасс, что влечет за собой неправильно выбранный метод изоляции.

Апробация. Предварительные результаты исследования были представлены на Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов и студентов «XVIII Сатпаевские чтения», 11 апреля 2018 года, со статьей «Анализ современных теплоизоляционных материалов на предмет оптимальности их использования для снижения тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей».

Структура и объем работы. Магистерский проект состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников, четырех приложений. Общий объем - 115 страниц, 27 рисунков, 56 таблиц. Список литературы включает 55 наименований.

Содержание работы

В первой главе проведен анализ проблемы тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей. Тепловые сети легко уязвимое звено системы ЦТС. Этому прежде способствовала ориентированность строительства теплотруб в сжатые сроки с применением энергетически неэффективных материалов: минеральной ваты.

В связи с этим возникла острая ситуация, износ оборудования, большая отдача теплоты окружающей среде в связи с минимальной скоростью реконструкции и капитального ремонта ветхих сетей.

Так как реализация мероприятий, направленных на реконструкцию источников теплоты, пересмотру гидравлических режимов достаточно трудоемка, то возникает возможность уже сейчас исправить сложившуюся ситуацию с помощью строительства с применением современных типов тепловой изоляции.

В разделе 1.1 дана общая оценка состояния тепловых сетей.

В разделе 1.2 выявлены основные причины износа тепловых сетей.

В разделе 1.3 рассмотрены теплоизоляционные материалы применяемые на трубопроводах тепловых сетей, их основные преимущества и недостатки.

Во второй главе проведен анализ методов расчета тепловых потерь при транспортировке теплоносителя, рассмотрены основные причины, влияющие на рост расхода тепловой энергии.

В разделе 2.1 рассмотрены современные методики по определению потери теплоты и их существенные недостатки.

В настоящее время большинство проектных организаций рассчитывают тепловые потери через теплоизоляционный слой по нормативам и специально разработанным методикам, так как это наиболее простой вариант, не требующий дополнительных материальных затрат.

Дорогостоящие испытания теплопроводов происходят с задействованием большого числа рабочих кадров для определения энергоресурса с помощью приборов учета и закольцеванием участка сети в отопительный период с отключением большого количества потребителей.

Таким образом, расчет нормативных тепловых потерь ведут по двум методикам: по РД 34 РК.09.255-2010 «Методика определения тепловых потерь в сетях» и на основании СН 4.02-03-2011 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

По СН полученные результаты часто не соответствуют данным, полученным в ходе натурных испытаний. Она имеет следующие недостатки:

а) не учитывается изменение состояния теплоизоляционной конструкции в период эксплуатации, расчет ведут только с учетом сухого состояния изоляции, что сказывается на показателях коэффициентов теплопроводности.

Это наиболее актуально для подземной прокладки.

б) в ходе обследования участков тепловой сети, проложенной в грунте с высокой степенью влажности, были сделаны выводы, что поправочные коэффициенты на увлажнение теплоизоляции в СН очень занижены.

в) сроки эксплуатации завышены, так как отсутствует учет деформации и повреждений в период эксплуатации, и отсутствуют данные об поправочных коэффициентах.

г) не указывается влияние скорости ветра при надземной прокладке.

д) предназначен только на исправно работающие конструкции тепловой изоляции, не учитывает повреждения при монтаже теплопровода, ветхость трубопроводов вследствие его аварийного состояния, снятия оцинкованного покровного слоя при надземной прокладке как дорогостоящего материала, полное разрушение конструкции, замена оцинкованного покровного слоя на стеклоткань при монтаже, влияние увлажненного состояния теплоизоляции.

Существующие нормы потерь тепловой энергии через теплоизоляционный материал зависят от таких параметров, как: диаметр трубопровода, протяженность, тип прокладки, температура теплоносителя.

В разделе 2.2 описано определение количества тепловых потерь по теплотехническому расчету.

В разделе 2.3 дана характеристика декомпозиции тепловых сетей для определения тепловых потерь. Существующая методика по определению данного показателя не в полной мере отображает реальную картину поведения и изменения теплоизоляционных свойств материала изоляции. Выбранная для исследования методика декомпозиции в полной мере отображает «реальные» процессы, влияющие на показатели расхода теплоты.

В разделе 2.4 рассмотрены основные эксплуатационные факторы, влияющие на количество потерь теплоты. Наибольшее негативное воздействие на бесперебойную работу тепловых сетей ЦТС создают такие факторы как: увлажнение теплоизоляционного слоя теплопровода, высокая относительная влажность при прокладке в непроходных каналах, нарушение целостности и провисание тепловой изоляции.

В третьей главе проведен сравнительный анализ теплоизоляционных материалов по результатам расчета тепловых потерь и технико-экономического расчета.

В разделе 3.1 проанализированы результаты расчета тепловых потерь условного участка теплотрассы, выявлены потенциал энергосбережения при использовании разных типов изоляции (таблица 2) и потенциал экономии энергии абонента.

На рисунке 1 представлена схема условного участка теплотрассы диаметром 400 мм.

Рисунок 1 - Схема участка теплотрассы диаметром 400 мм

В таблице 1 рассмотрены нештатные условия работы участка тепловой сети и показатели удельных потерь теплоты для каждого вида теплоизоляционного материала трубы с условным диаметром 400 мм. Для участка тепловой сети, имеющего на указанных в таблице 1 протяженностях соответствующие дефекты и состояние тепловой изоляции, для каждого типа теплоизоляции были рассчитаны удельные расходы тепловой энергии при нештатных условиях и сравнены с нормативными значениями.

Линейные значения расхода теплоты, т.е. на протяжении всего участка, сравниваются с нормативными. Наибольшее расхождение приходится на полное или на 75 % отсутствие изоляции, что вполне объяснимо. Превышение нормативных показателей для ППУ и ППМ происходит на участке № 12. Таким образом, нарушение целостности даже на ј приводит к серьезным расходам тепла.

Данное состояние легко обнаружить с помощью приборов, так как завышенные потери укажут на данный участок. Тогда как, что связано с поглощением влаги, провисанием слоя изоляции: для предварительно изолированных трубопроводов значения расхода энергии окажутся намного меньше нормативных. В свою очередь это приведет к игнорированию данной проблемы, к невоевременным решительным действиям теплоснабжающей организации.

Таблица 1 - Нештатные условия работы участка тепловой сети и показатели удельных потерь теплоты для каждого вида теплоизоляционного материала трубы с условным диаметром 400 мм

В таблице 2 представлено сравнение потенциала энергосбережения при использовании разных типов изоляции.

Таблица 2 - Сравнение потенциала энергосбережения при использовании разных типов изоляции

В разделе 3.2 произведен технико-экономический расчет. Для получения достоверных сведений об экономической эффективности строительства тепловых трасс с использованием того или иного теплоизоляционного материала необходимо сравнить приведенные затраты и относительную эффективность строительства. Данные значения должны быть найдены исходя из общей схемы (участка) тепловой трассы с одинаковыми техническими параметрами.

Технико-экономическое сравнение линейного двухтрубного участка тепловой сети с различными диаметрами теплопроводов не корректно. Тепловая сеть это не только прямые участки трубопроводов, но и отводы, тройники, запорная арматура и неподвижные опоры. Поэтому при сравнении стоимости капитальных и эксплуатационных затрат необходимо учитывать затраты на укладку отводов, неподвижных опор и стоимость комплекта изоляции стыковых соединений. Расчет экономической эффективности был произведен для участка тепловой сети с различным типом изоляции: ППУ и ППМ.

Схема условной тепловой трассы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема условной тепловой трассы для сравнения экономических показателей при выборе изоляции ППУ или ППМ

Условный участок тепловой сети имеет следующие составляющие: протяженность тепловой сети - 68 м, количество отводов - восемь штук, количество неподвижных опор - две штуки, стыки, требующие дополнительной изоляции - 20 штук. Сущность технико-экономического расчета тепловой изоляции труб состоит в возможности сравнения нескольких вариантов для определения наиболее выгодного с учетом исходных данных (условий прокладки), стоимости капиталовложений и затрат на дальнейшую эксплуатацию объекта.

На сегодняшний день существует тенденция увеличения требований к энергетической эффективности теплоизоляции. По проведенным исследованиям с использованием методики декомпозиции для условий прокладки теплопроводов во влажном и легко проводимом тепло грунте были получены следующие результаты:

а) 10% содержание влаги в порах материала изоляции способствует увеличенному расходу теплоты через слой: данный показатель для МВ превышает остальные показатели других типов изоляции в два раза в условиях канальной прокладки. Для ППУ - для средних диаметров (400 мм) данный показатель на 27 % больше, чем показатель ППМ. Для магистральных - наоборот, на 11 % ППМ меньше, чем ППУ;

б) при полном намокании МВ отдает в 4,5 раза больше теплоты, чем указано в нормативном документе. Значения расхода энергии через слой ППМ при 100 % содержании влаги в порах не хватает для достижения нормативных значений: для распределительных труб - 15 %, для магистральных - 45 %. Через материал ППУ теряется на 26% больше энергии распределительными сетями и на 26 % магистральными.;

в) нарушение целостности материала изоляции в процессе эксплуатации теплотрасс приводит к самым большим потерям тепловой энергии;

г) наименьший расход энергии теплоносителя вызывает провисание изоляции.

Средние удельные значения расхода теплоты на участке теплотрассы через слой ППУ и ППМ меньше, чем удельные нормативные значения для этого же участка. Не повлияло на средний показатель теплопотерь участком с ППУ изоляцией фрагмент теплопровода с потерями теплоты выше нормативных. Это влечет за собой игнорирование аварийных участков с использованием данной методики.

Для участка теплосети, имеющего разную степень влажности материала изоляции ППМ, а так же влияние других эксплуатационных факторов (нарушение целостности материала на половину) минимальное падение температуры составит в среднем на 1 % меньше по сравнению с таким же показателем для других типов изоляции. На участках теплосети, подразумевающих отсутствие изоляции на треть и три четверти, расход теплоты будет меньше с использованием ППУ.

Наименьшим потенциалом энергосбережения обладает теплотрасса с использованием ППМ материала по сравнению с теплопроводами, изолированными другими материалами и работающими в одинаковых условиях. Так же наименьшие убытки потерпят теплоснабжающие организации с использованием ППМ в условиях нарушения теплоизоляционных свойств материалов.

Выбирая конструкцию тепловой изоляции ППМ можно изменить ее плотность, которая влияет на коэффициент теплопроводности: чем ее значение выше, тем больше и показатель проводимости тепла, так как количество открытых пор уменьшается со снижением количества пор материала в целом. Но с уменьшением плотности и соответственно показателя проводимости тепла последует увеличение расхода тепловой энергии через слой изоляции.

Экономическая эффективность строительства условного участка с использованием ППМ выше, чем ППУ. ППМ в четыре раза прочнее ППУ, а так же имеет повышенную степень адгезии к стальной трубе. Благодаря таким свойствам возможность разрушения тепловой изоляции ППМ, вызывающая самый большой расход энергии, намного меньше, чем ППУ.

В условиях прокладки теплотрасс во влажном и влагонасыщенном грунте при выборе типа изоляции необходимо обратить внимание на пористость материала. Чем больше количество открытых пор, тем большее количество влаги сможет впитать теплоизоляционный материал.

Для центральных, северо-западных и северо-восточных регионов страны с увеличенным периодом отопления, сложными грунтовыми условиями, проблемой затопления каналов, повышенной коррозийной активностью, высоким уровнем грунтовых вод рекомендовано использовать ППМ изоляцию, теплоизоляционные характеристики которой в таких условиях меняются незначительно. Благодаря свойству паропроницаемости материал даже при 100 % содержании влаги обеспечивает восстановление теплоизоляционных свойств спустя девять суток. ППМ материал так же обладает следующими преимуществами по сравнению с ППУ: капитальные затраты меньше при соответствующей высокой энергоэффективности и надежности, а так же энергосбережения, при проектировании существует возможность выбора оптимальной толщины слоя изоляции в зависимости от ожидаемых потерь. При увлажнении значение толщины ППМ будет меньше, чем ППУ, что окажет влияние на стоимость таких труб и фасонных изделий, а так же монтажа. Материал ППМ лучше применять для бесканальной прокладки теплотрассы, так как содержание капиллярной влаги, образующейся в каналах, сильно влияет на показатель расхода энергии теплоносителя. теплоснабжение трубопровод изоляционный

Для юго-западных, южных регионов и большей части европейской зоны предпочтение следует отдавать тепловой изоляции из ППУ. Потери тепловой энергии сухим материалом самые минимальные при любом условии работы теплотрасс, влияющих на разрушение и провисание изоляции, благодаря низкому коэффициенту теплопроводности по сравнению с другими материалами. Влияние капиллярной влаги, в отличие от материала ППМ, минимальное. Высокая прочность и хорошие теплоизоляционные характеристики позволяют прокладывать теплотрассу бесканальным способом. Но есть и существенный недостаток такого материала: нарушение герметизации покровного слоя приводит к быстрому износу теплопроводов, так как содержание и 10 % влаги со временем приведет к разрыхлению материала, изменению его структуры. А это повлечет за собой непродолжительный срок эксплуатации в результате быстрого износа теплопроводов, образование наружной коррозии.

Заключение

Проведенное исследование позволило решить современную актуальную задачу по увеличению надежности тепловых сетей, как главного звена системы ЦТС, оказывающегося под влиянием различных негативных факторов.

Были выбраны основные виды изоляции, рассмотрено их поведение и изменение свойств в различных условиях работы.

Придерживаясь основной цели, по поставленным задачам исследования были получены следующие научно-практические результаты:

1)по проведенному анализу состояния системы теплоснабжения были выявлены основные причины, влияющие на быстрый износ оборудования, в большей степени теплотруб.

2)существующие методики определения расхода тепловой энергии через слой изоляции усредняют данные показатели по всей протяженности теплотрассы, что влияет на отсутствие должного внимания со стороны теплоснабжающих организаций, а так же не учитывают реальное состояние материала изоляции. Была применена методика разбивки участка теплотрассы на фрагменты с различными условиями работы и состояния слоя изоляции для сравнительного анализа полученных результатов расхода тепловой энергии через слой ППУ и ППМ, а так же устаревших видов теплоизоляции. Выявлены основные зависимости теплоизоляционных свойств от степени увлажнения материала, расход теплоты при провисании изоляции, нарушении целостности, в результате механических воздействий. Полученные результаты, как и ожидалось, подтвердили низкие теплоизоляционные свойства довольно часто применяющейся в прошлом веке минеральной ваты и АПБ. Не смотря на более высокие показатели расхода теплоты через слой ППМ по сравнению с ППУ, он обладает следующими достоинствами, которые необходимо принимать во внимание при строительстве в усложненных условиях за счет высокого уровня грунтовых вод и частой подтапливаемостью участков: низкий показатель пористости с соответствующим заниженным ростом теплопроводности при различной степени увлажнения, повышенная энергоэффективность при различных условиях эксплуатации, паропроницаемость, прочность, что снижает возможность увеличенных тепловых потерь за счет нарушения целостности слоя.

3)по результатам сравнительного анализа показателей расхода тепловой энергии в совокупности с расчетом потенциала энергосбережения были сделаны следующие выводы: для уменьшения расхода теплоты при возможности увлажнения материала предпочтение следует отдавать ППМ изоляции, в виду ее особенностей. Так же были выявлены основные рекомендации по применению ППУ и ППМ

Публикации по теме проекта

1 Статья «Анализ современных теплоизоляционных материалов на предмет оптимальности их использования для снижения тепловых потерь на трубопроводах тепловых сетей» в сборнике Международной научной конференции молодых ученых, магистрантов и студентов «XVIII Сатпаевские чтения» от 11 апреля 2018 года.

Размещено на Allbest.ru